淺談5G通信系統(tǒng)中流媒體的技術(shù)原理

劉麗萍

國(guó)家廣播電視總局203臺(tái) 內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010000

引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，智能化的電子產(chǎn)品已經(jīng)成為生活中不可或缺的重要物品，而支撐通信設(shè)備智能化的網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)成為最重要的環(huán)節(jié)。高帶寬、低時(shí)延、廣連接的5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)傳輸體系大幅度提升了網(wǎng)絡(luò)速度，被廣泛用于工業(yè)、新農(nóng)業(yè)、金融、能源等各領(lǐng)域的發(fā)展中，其主要的可移動(dòng)性優(yōu)勢(shì)在互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)中充分發(fā)揮，例如，5G全息成像、多媒體內(nèi)容生產(chǎn)、直播業(yè)態(tài)、視頻點(diǎn)播、遠(yuǎn)程教育等。5G技術(shù)在媒體行業(yè)應(yīng)用中的新嘗試、新亮點(diǎn)也為生活提供了更多便利，同時(shí)不斷推動(dòng)智能化的縱深發(fā)展。

隨著科技的發(fā)展，移動(dòng)終端的電子設(shè)備快速更新，基于對(duì)不同信息的服務(wù)需求，其對(duì)數(shù)據(jù)的訪問需求量越來越高。在移動(dòng)的終端設(shè)備中，特別是附帶多媒體業(yè)務(wù)時(shí)，呈現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的視頻畫面和流暢的畫面?zhèn)鬏數(shù)戎饾u成為用戶的最基本要求。然而4G網(wǎng)絡(luò)因速度過慢、丟包漏包、流暢度欠佳等問題，逐漸不能滿足用戶的需求，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)不足以支撐新興業(yè)務(wù)模式。在此背景下，5G的通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，5G網(wǎng)絡(luò)在速度上的大幅提升，將引起通信領(lǐng)域新一輪的變革。5G高速穩(wěn)定低延時(shí)的特性滿足了未來大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)進(jìn)行信息傳遞、高速流量訪問需求，在百萬平方公里土地上實(shí)現(xiàn)10GB數(shù)量級(jí)的傳播速度。直播現(xiàn)場(chǎng)的4K高清圖像、隨處可見的高清大屏、視頻會(huì)議等，利用5G網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展的視頻流媒體成為最具代表性的業(yè)務(wù)，伴隨著5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)傳輸、內(nèi)容分發(fā)架構(gòu)、流媒體技術(shù)、視頻形態(tài)等在不斷演進(jìn)，極大的提高了用戶高品質(zhì)觀看體驗(yàn)。

在媒體業(yè)務(wù)類型大幅增多的背景下，流媒體技術(shù)快速發(fā)展，尤其在網(wǎng)絡(luò)信息傳播中，以不可復(fù)制的優(yōu)勢(shì)成為新一代信息通信技術(shù)演進(jìn)升級(jí)的重要方向。傳統(tǒng)的流媒體技術(shù)主要是以分流的方式實(shí)現(xiàn)邊觀看邊下載的效果，其技術(shù)原理主要為RTP/RTCP協(xié)議。在實(shí)際的應(yīng)用中由于數(shù)據(jù)量較大的原因，TCP協(xié)議在傳輸過程中無法滿足用戶的要求，而RTP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為了提高實(shí)時(shí)性，基于UDP發(fā)送數(shù)據(jù)，UDP又因不可靠性而丟包嚴(yán)重。

在互聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)用即大量的流量傳輸是依靠各種算法來維持穩(wěn)定的傳送。TCP的算法協(xié)議在流量傳輸中使用最多，其兼容性優(yōu)勢(shì)在流媒體中成為測(cè)評(píng)性能的標(biāo)準(zhǔn)，也是對(duì)算法影響的主要因素。在以往的協(xié)議算法中，用流量傳輸中的丟包量來計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的擁堵情況，其中丟包中的一些錯(cuò)誤的包，并不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁堵造成影響，而我們就利用這個(gè)錯(cuò)誤包的產(chǎn)生情況，來改進(jìn)RTP/RTCP協(xié)議，從而達(dá)到更準(zhǔn)確的流量傳輸數(shù)據(jù)要求。

在多媒體數(shù)據(jù)的傳輸過程中，RTP/RTCP規(guī)則的傳輸由RTP將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康亩?，RTCP對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹噶钜约皵?shù)據(jù)包的接收情況進(jìn)行反饋。當(dāng)接收到目的端的反饋時(shí)，非對(duì)稱的反饋數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生延遲，原因是在數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了延遲，導(dǎo)致RTP在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生相應(yīng)的延時(shí)效果，在本文中將對(duì)非對(duì)稱鏈路中的數(shù)據(jù)傳輸提出一些改進(jìn)方法。

5G傳輸網(wǎng)絡(luò)帶來的流媒體技術(shù)的飛躍式發(fā)展主要體現(xiàn)在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，在非對(duì)稱鏈路中的流量控制傳輸。在本次的研究過程中，以RTP/RTCP為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行流量傳輸控制，重點(diǎn)對(duì)流媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)男收{(diào)節(jié)進(jìn)行研究，同時(shí)對(duì)非對(duì)稱鏈路中流量傳輸?shù)奶卣髯龀鲞m當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

1 實(shí)時(shí)流媒體傳輸協(xié)議

1.1 流媒體傳輸協(xié)議

所謂流媒體，是指采用流式傳輸?shù)姆绞皆诨ヂ?lián)網(wǎng)播放的媒體格式。流媒體又稱流式媒體，是將普通多媒體，如音頻、視頻等，經(jīng)過特殊編碼，使其成為在網(wǎng)絡(luò)中可以采用流式傳輸?shù)倪B續(xù)時(shí)基媒體，將數(shù)據(jù)進(jìn)行流水式分段傳輸?shù)侥繕?biāo)端口。通過流媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)邊播放邊下載，縮短了啟動(dòng)時(shí)延，降低了系統(tǒng)的緩存容量，減少了視頻播放的等待時(shí)間，從而改善人們的視頻享受體驗(yàn)。在流媒體的技術(shù)中有SIP、SDP、 RTSP、 RTP、 RTCP、RSVP等協(xié)議，具體的協(xié)議使用如圖1所示。

圖1 協(xié)議框圖

1.1.1 應(yīng)用層

SIP由用戶代理、代理服務(wù)器、注冊(cè)服務(wù)器、重定向服務(wù)器等共同組成。主要將流媒體技術(shù)運(yùn)用到單通話以及多通話的層面上。具體包括創(chuàng)建通話、修改通話以及終止通話等。例如騰訊會(huì)議的加入邀請(qǐng)。

SDP在應(yīng)用層輔助RTSP和SIP工作，在正常的視頻會(huì)議中提供名稱、視頻的類型以及視頻的格式等。

RTSP是應(yīng)用層的實(shí)時(shí)控制，在視頻播放的過程中，按用戶的需求進(jìn)行播放、暫停等一系列工作。視頻控制命令是通過數(shù)據(jù)傳輸?shù)腞TP/RTCP協(xié)議進(jìn)行雙方數(shù)據(jù)控制，即目的端口和源端口都可以控制視頻的進(jìn)程。

1.1.2 傳輸層

在傳輸協(xié)議層，RTP主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸。在不間斷的數(shù)據(jù)傳輸過程中，接收端并不是按照順序進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，在完成接收之后，需要按照之前數(shù)據(jù)的排序情況來進(jìn)行數(shù)據(jù)的重組。在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸中，RTCP不斷檢測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量并實(shí)時(shí)糾錯(cuò)，以避免大量數(shù)據(jù)出現(xiàn)堵塞，確保數(shù)據(jù)的分部傳輸。

1.1.3 網(wǎng)絡(luò)層

RSVP提供數(shù)據(jù)傳輸中的質(zhì)量保證，在數(shù)據(jù)傳輸中預(yù)留一些需要的傳輸路徑，對(duì)實(shí)時(shí)的流量進(jìn)行快速傳遞。在信息傳遞途中，建立了固定的流量傳輸狀態(tài)。RSVP的傳輸原理是將數(shù)據(jù)進(jìn)行單方向的傳播，在數(shù)據(jù)的預(yù)留中僅能實(shí)現(xiàn)發(fā)送端預(yù)留發(fā)送端口、接收端預(yù)留接收端口的信息，也就是說預(yù)留的信息只能由單方向流量預(yù)留，在預(yù)留的數(shù)據(jù)中可以是單個(gè)發(fā)送也可以是多個(gè)發(fā)送。

1.2 RTP協(xié)議詳細(xì)介紹

RTP多用于各種在線的會(huì)議，包括音頻和視頻會(huì)議。在每個(gè)會(huì)議建立后都會(huì)有對(duì)應(yīng)的端口、序列號(hào)。端口號(hào)有RTP、RTCP的協(xié)議報(bào)文。在傳輸中，RTP利用UDP協(xié)議完成數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸數(shù)據(jù)依靠報(bào)文的端口號(hào)重新排序。在傳輸過程中，需要RTCP來保證數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量。

在多人會(huì)議中，為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)客戶端同時(shí)接入且數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性不受影響，引入了混合器?；旌掀鲗?duì)RTP協(xié)議中各種客戶端的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。在多個(gè)數(shù)據(jù)匯總之后，進(jìn)行數(shù)據(jù)完成整合，同時(shí)產(chǎn)生新的RTP協(xié)議報(bào)文。在新的報(bào)文中，會(huì)改變之前多種格式的新媒體數(shù)據(jù)，使得多種格式的接收源能夠穩(wěn)定接收數(shù)據(jù)。

每個(gè)報(bào)文格式中有固定的開頭，由12字節(jié)組成，在RTP協(xié)議中，CSRC的標(biāo)識(shí)也在報(bào)文的頭部，需要混合器的協(xié)助完成，RTP報(bào)文格式如圖2所示。

圖2 RTP協(xié)議報(bào)文格式

1.3 RTCP協(xié)議

在上述敘述中，RTCP負(fù)責(zé)管理傳輸質(zhì)量，在當(dāng)前應(yīng)用進(jìn)程之間交換控制信息，主要是在每個(gè)不同的報(bào)文中將各種類型的信息發(fā)送到接收端（會(huì)議的參與者），其中包括傳輸中的數(shù)據(jù)包的丟包數(shù)量以及接收數(shù)量。在RTCP的報(bào)文中，有固定的開頭信息以及后面不同的32字節(jié)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。報(bào)文可以分為下面五種類型，其具體格式如下。

（1）統(tǒng)計(jì)發(fā)送端的數(shù)據(jù)信息，大概有三個(gè)部分，后面的數(shù)據(jù)根據(jù)不同的類型長(zhǎng)短不一，如圖3所示。

圖3 SR報(bào)文格式

（2）統(tǒng)計(jì)接收端的數(shù)據(jù)信息，報(bào)文格式幾乎與接收端的統(tǒng)計(jì)信息相同，主要的不同點(diǎn)是報(bào)文的常量201，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，信息同樣要放到RTCP的開頭端。

（3）SDES報(bào)文報(bào)告本端的描述性信息，包括頭部和0到多個(gè)報(bào)告塊，每個(gè)塊中包含描述源標(biāo)識(shí)符的表項(xiàng)，如圖4所示。

圖4 SDES報(bào)文格式

（4）BYE：在會(huì)議結(jié)束時(shí)推出的各種標(biāo)志提示，其報(bào)文格式如圖5所示。

圖5 BYE報(bào)文格式

（5）在新的應(yīng)用軟件開發(fā)時(shí)，需要特定的開發(fā)測(cè)試策略，App報(bào)文格式是專門用于測(cè)試的，因此其不需要注冊(cè)，不能識(shí)別的App報(bào)文也可以丟棄，報(bào)文格式如圖6所示。

圖6 App報(bào)文格式

1.4 流媒體傳輸?shù)膿砣刂撇呗?/h3>

在數(shù)據(jù)流量傳輸過程中，RTP經(jīng)行傳輸，RTCP保證其傳輸數(shù)據(jù)的質(zhì)量。而不可避免的網(wǎng)絡(luò)擁塞可能會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失、錯(cuò)誤、延時(shí)等各種問題。

1.4.1 網(wǎng)絡(luò)擁塞問題

在信息交互過程中，當(dāng)分組較多時(shí)，組網(wǎng)絡(luò)同時(shí)到達(dá)路由器，對(duì)于有著固定存儲(chǔ)空間的輸出端口，同時(shí)被幾個(gè)輸入數(shù)據(jù)流共同使用，當(dāng)流量需求超過了路由可用資源，路由存儲(chǔ)達(dá)到一定程度，無法再滿足流量的順利傳輸，傳輸性能下降，這也就是出現(xiàn)數(shù)據(jù)包延時(shí)、丟包等現(xiàn)象的原因。主要分為以下幾種情況：

第一，路由的內(nèi)存限制，當(dāng)數(shù)據(jù)量超過路由RAM的限制范圍時(shí)，數(shù)據(jù)無法正常傳輸，具體的表現(xiàn)為數(shù)據(jù)延時(shí)、丟包等。

第二，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，不同的性能配置對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度不一樣。在數(shù)據(jù)資源需求量大的時(shí)候，數(shù)據(jù)無法快速處理，路由器會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)延時(shí)。

第三，在數(shù)據(jù)鏈路中，當(dāng)?shù)退冁溌份斎敫咚贁?shù)據(jù)流時(shí)，也會(huì)造成數(shù)據(jù)堵塞，數(shù)據(jù)信息會(huì)產(chǎn)生延時(shí)。

1.4.2 流媒體傳輸?shù)膿砣刂?/p>

當(dāng)流媒體數(shù)據(jù)出現(xiàn)擁塞時(shí)，視頻播放或者視頻對(duì)話中的數(shù)據(jù)包不能及時(shí)傳輸，造成視頻或通話卡頓、過度延時(shí)，甚至數(shù)據(jù)中斷，嚴(yán)重影響視頻質(zhì)量。為了合理的控制網(wǎng)絡(luò)擁塞，要根據(jù)實(shí)際的延時(shí)情況對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行一些優(yōu)化調(diào)整。流媒體的數(shù)據(jù)傳輸方式有排序的流式傳輸和實(shí)時(shí)流式傳輸，通過用戶的操作選擇后，按照視頻的進(jìn)度調(diào)整數(shù)據(jù)的傳輸方式。

在多媒體的數(shù)據(jù)傳輸中，其流量大、實(shí)時(shí)性、連續(xù)性、延時(shí)低、低誤差的特點(diǎn)，勢(shì)必需要一種有效的擁塞控制來調(diào)整時(shí)間上的傳輸速率。在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)的速度分地點(diǎn)和時(shí)間的變化，通過自適應(yīng)的方式來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

2 非對(duì)稱鏈路傳輸性能研究

在信息化時(shí)代，用戶端的流量需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于互聯(lián)網(wǎng)的寬帶流量，非對(duì)稱的鏈路傳輸能夠及時(shí)反饋流媒體網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的不適應(yīng)情況，其中TCP協(xié)議為主流的使用協(xié)議，也是具有反饋功能的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。

2.1 非對(duì)稱鏈路

在采用數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹T多領(lǐng)域中，非對(duì)稱鏈路使用廣泛。例如，光纖網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星鏈路、數(shù)字電視信號(hào)以及網(wǎng)絡(luò)寬帶中，均利用非對(duì)稱鏈路達(dá)到有效的信息傳輸。在實(shí)際應(yīng)用中，往往因?yàn)槟承╂溌返牟煌?，?dǎo)致數(shù)據(jù)在正向傳播或者反向傳播時(shí)產(chǎn)生時(shí)延。

2.2 非對(duì)稱鏈路中提高TCP性能的策略

在反向鏈路的傳輸中，接收端的AK數(shù)據(jù)不能及時(shí)發(fā)送，導(dǎo)致在接下來的數(shù)據(jù)傳輸中效率變得較低，同時(shí)對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，從而發(fā)生堵塞甚至丟包。為了解決在TCP協(xié)議傳輸中數(shù)據(jù)延時(shí)的問題，需要從最初的原始問題入手，主要是從主機(jī)端和路由器端來提高TCP的性能。

2.2.1 基于主機(jī)端修改提高TCP性能

從主機(jī)端方面考慮，主要從以下幾個(gè)方面修改TCP性能，ACK、大數(shù)據(jù)段、擁堵控制、發(fā)送速率的適應(yīng)。

ACK調(diào)節(jié)：原理為降低ACK發(fā)送速率和頻率，減少其在鏈路上的占用，確保在接收方或者確認(rèn)方能減少收入ACK的數(shù)據(jù)包。

使用大數(shù)據(jù)段：大數(shù)據(jù)包段，是在數(shù)據(jù)總?cè)萘坎蛔兊那闆r下，將數(shù)據(jù)進(jìn)行大容量的打包，減少形成的數(shù)據(jù)包數(shù)量，達(dá)到降低發(fā)放次數(shù)的目的。

擁塞控制：發(fā)送方收到ACK擁堵的標(biāo)識(shí)，并進(jìn)行識(shí)別，同時(shí)判斷出在上行鏈路中有數(shù)據(jù)擁堵現(xiàn)象發(fā)生，進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，減少ACK的數(shù)據(jù)。若上行鏈路沒有發(fā)生擁堵現(xiàn)象，則不會(huì)發(fā)送擁堵標(biāo)識(shí)。

調(diào)節(jié)發(fā)送速率：通過修改發(fā)送方主機(jī)端的發(fā)送速率，提前設(shè)定發(fā)送數(shù)量的上限，在數(shù)據(jù)包的發(fā)送過程中，根據(jù)實(shí)際情況，將大的數(shù)據(jù)包按照預(yù)設(shè)的速率，分為相應(yīng)的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，有序的進(jìn)行傳輸。

2.2.2 基于路由器修改提高TCP性能

基于路由器修改來改進(jìn)TCP的傳輸方案，主要是依靠多鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，改善傳輸路徑上的復(fù)雜性，具體如下：

第一，通過壓縮TCP的頭部?jī)?nèi)容的方式，降低ACK大小，以達(dá)到減少電路上的傳送數(shù)據(jù)包的效果。

第二，在下行鏈路中增加路由器、上行鏈路中刪除多余ACK數(shù)據(jù)包、挑選有用的ACK數(shù)據(jù)包，這種方法已經(jīng)普遍存在于實(shí)際中的網(wǎng)絡(luò)使用。

第三，通過調(diào)節(jié)上行鏈路傳輸中的數(shù)據(jù)包，將ACK和傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)量分組發(fā)送。主要原理為：合理調(diào)節(jié)每個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送順序，即循環(huán)調(diào)度或優(yōu)先發(fā)送。這樣保證了上行鏈路的容量，同時(shí)也保證了下行鏈路的發(fā)送量和接收量。

3 展 望

在網(wǎng)絡(luò)信息化越來越發(fā)達(dá)的時(shí)代潮流中，5G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為傳輸體系的發(fā)展注入了強(qiáng)心劑，依靠5G強(qiáng)有力的支持，流媒體技術(shù)的發(fā)展帶來了前所未有的突破。在本文中，通過分析5G網(wǎng)絡(luò)在多媒體傳輸協(xié)議中的優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)探討了RTP和RTCP協(xié)議在無線環(huán)境和非對(duì)稱鏈路中傳輸性能的改善，并提出了如何提高在非對(duì)稱鏈路中傳輸?shù)男阅堋?/p>

如圖7所示，未來隨著5G網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中的普及，萬物互聯(lián)、人機(jī)共生，5G分發(fā)體系下，各種場(chǎng)景各種設(shè)備都可能有內(nèi)容的需求。流媒體技術(shù)在5G網(wǎng)絡(luò)的加持下，將會(huì)被應(yīng)用到更廣闊的空間中，為用戶帶來最佳體驗(yàn)的服務(wù)。傳播速度將是千兆般的接入，再也不用為內(nèi)容延時(shí)煩惱。車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)，龐大的網(wǎng)絡(luò)體系提高各個(gè)場(chǎng)景中應(yīng)用的服務(wù)，達(dá)到信息隨心至，萬物觸手及，實(shí)現(xiàn)人們的總體愿景。

圖7 5G總體愿景